Maleńkie, bardzo szybkie mikroukłady, stosowane w każdym współczesnym urządzeniu elektronicznym, znacznie się różnią od swoich dużych, powolnych przodków sprzed kilku dekad. Dzięki nowym materiałom, architekturom oraz technikom produkcji kolejne generacje układów scalonych mają coraz większą wydajność oraz coraz niższą cenę. Przełomowe, finansowane ze środków UE badania naukowe pomagają podtrzymać powyższy trend...

Prawo Moore'a - czyli spostrzeżenie dokonane przez współzałożyciela firmy Intel, Gordona E. Moore'a, w myśl którego liczba tranzystorów w układzie scalonym, a tym samym moc obliczeniowa, podwaja się co mniej więcej dwa lata - okazało się prawdziwe przez ponad pół wieku. Obecnie używane przez nas telefony komórkowe mają większą moc obliczeniową, niż kikla dekad temu miały komputery o wielkości domu. Jednak aby na coraz mniejszej przestrzeni zmieścić coraz więcej tranzystorów - i podtrzymać prawdziwość prawa Moore'a - twórcy mikroukładów muszą być coraz bardziej innowacyjni, gdyż komponenty tworzące mikroukład powoli kurczą się do rozmiarów mierzonych w "nano" skali.

Czasami projektanci układów muszą myśleć w bardzo nieszablonowy sposób. Takie nieszablonowe podejście obrano na przykład w ramach projektu ("Wydajność i niezawodność dzięki złączom miedzianym" - 'Copper interconnects for advanced performance and reliability' (Copper), którego uczestnicy, będący członkami ośmiu organizacji - firm, instytów badawczych oraz uniwersytetów - z czterech krajów rozwiązali kluczowe wyzwanie z dziedziny wytwarzania mikroukładłów. Naukowcy Ci otworzyli także wrota całkowicie nowej dziedziny badań naukowych w przemyśle półprzewodnikowym.

Badacze, przy wsparciu ze strony Komisji Europejskiej w kwocie 3,15 milionów euro, skupili się na metodach i materiałach używanych do łączenia ze sobą maleńkich tranzystorów w obrębie współczesnego mikroukładu. Uczestnicy projektu Copper opracowali proces, który pozwala stosować metale reaktywne jako barierę pomiędzy złączami miedzianymi a płytką krzemową mikroukładu, dzięki użyciu rozpuszczalników niewodnych zamiast rozpuszczalników wodnych - co jest nowością w przemyśle półprzewodnikowym.

"Wraz ze wzrostem liczby tranzystorów tworzących mikroukład wzrasta długości łączy pomiędzy tymi tranzystorami. Ponieważ złącza charakteryzują się pewną rezystancją wzrost ich długości może powodować opóźnienia w komunikacji pomiędzy tranzystorami, a tym samym spadek szybkości działania mikroukładu", tłumaczy Jan Fransaer, naukowiec pracujący w Katedrze Metalurgii i Inżynierii Materiałowej ('Department of Metallurgy and Materials Engineering' - MTM) Katolickiego Uniwersytetu w Leuven, w Belgii.

Zmniejszenie rozmiaru złączy pozwala zwiększyć wydajność mikroukładu. Jednak obecnie podzespoły tworzące mikroukłady wytwarzane są w skali 22nm - około 3 000 mniejszej, niż grubość ludzkiego włosa - z czym wiąże się szereg przeszkód stojących na drodze do dalszego zmniejszania rozmiarów połączeń.

Do połowy lat 90-tych do wypełniania "rynienek" tworzących złącza, czyli niewielkich ścieżek przez które pomiędzy tranzystorami przemieszczają się elektrony, używano aluminium. Aluminium posiada wystarczającą przewodność właściwą, pozwalającą sprostać potrzebom tranzystorów, których wówczas w jednym mikroukładzie było kilka milionów, a w przeciwieństwie do innych metali przewodzących, takich jak miedź, srebro i złoto, nie przenika do krzemu, co mogłoby powodować zniszczenie obwodów.

Jednak wraz z postępującą miniaturyzacją i zwiększaniem się liczby tranzystorów do miliardów, niezbędne było opracowanie szybszych złączy. To wymagało zastosowania materiału o większej przewodności właściwej. Producenci półprzewodników zaczęli więc wytwarzać złącza przy użyciu miedzi. Niezbędne było zapobieżenie przenikaniu miedzi do krzemu, co osiągnięto dzięki tzw. "barierze dyfuzyjnej" (warstwie innego metalu, który chroni krzem przed działaniem miedzi). Najczęściej do produkcji bariery dyfuzyjnej stosuje się tantal.

Jak na razie rozwiązanie się sprawdza: bariera dyfuzyjna z tantalu chroni krzem przed działaniem miedzi użytej do produkcji ścieżek stanowiących złącza.

Ścieżki te wytwarza się w procesie zwanym osadzaniem elektrolitycznym, w którym prąd płynący przez roztwór rozpuszczalnika powoduje osadzanie się jonów metalu na ścieżkach. Zwykle jako roztworu używa się rozpuszczalnika wodnego.

Jest jednak pewien problem: tantal ulega natychmiastowemu utlenieniu w kontakcie z wodą, zatem jak dotychczas producenci musieli najpierw pokryć tantalową barierę dyfuzyjną miedzią, w celu stworzenia warstwy chroniącej tantal przed działaniem wody, podobnie jak ma to miejsce w przypadku warstwy tantalu chroniącej krzem przed działaniem miedzi.

Ochronną warstwę miedzi wytwarza się w procesie zwanym "osadzaniem chemicznym z fazy gazowej" ('chemical vapour deposition' - CVD).

"Dlaczego jednak nie można po prostu wykorzystać warstwy miedzi jako do tworzenia połączeń? Gdyż CVD jest specyficznym procesem: pozwala on osadzać warstwę miedzi o grubości wystarczającej do ochrony znajdującego się pod nią tantalu, jednak zbyt cienką, by tworzyć w niej nieprzerwane połączenia. W związku z tym niezbędne jest osadzenie elektrolityczne, przeprowadzane na ochronnej warstwie miedzi, które pozwala wypełnić "rynienki" wystarczająco grubą warstwą miedzi, by stworzyć połączenia", tłumaczy prof. Fransaer.

Można powiedzieć, że producenci mikroukładów bawią się "rosyjskimi matrioszkami" w skali nanometrowej.

"To, że rozwiązując jeden problem powodujemy pojawienie się innego może wydawać się głupie, jednak powyższe rozwiązanie jak do tej pory dobrze się sprawdzało", zauważa prof. Fransaer.

Co zatem się zmieniło? Skala. Ochronna warstwa miedzi ma grubość od 5 nm do 10 nm, zatem jeśli skala wynosi mniej niż 22 nm warstwa ta, której celem jest tylko i wyłącznie ochrona tantalowej bariery dyfuzyjnej przed utlenieniem podczas wytwarzania mikroukładu, zaczyna zajmować o wiele za dużo miejsca.

Zamiast używać wody uczestnicy projektu Copper opracowali innowacyjny proces, w którym stosuje się rozpuszczalniki niewodne, np. płynny amoniak oraz płyny jonowe. Ciecze te nie powodują utleniania tantalu, a zatem umożliwiają przeprowadzenie osadzania elektrolitycznego bez użycia miedzianej warstwy ochronnej. W efekcie, dzięki temu, że ścieżki połączeniowe mogą być mniejsze, możliwe jest zmniejszenie rozmiaru mikroukładu, zwiększenie liczby tranzystorów oraz drastyczne zwiększenie wydajności mikroukładu.

"Osadzanie elektrolityczne przy użyciu płynnego amoniaku lub płynów jonowych przeprowadzano już wcześniej, jednak my po raz pierwszy zastosowaliśmy je w przemyśle półprzewodnikowym", mówi prof. Fransaer. "Technika ta z pewnością pomoże zapewnić ciągłość prawa Moore'a przez co najmniej kilka najbliższych dekad".

By opracować powyższy proces członkowie zespołu projektowego przeanalizowali różne materiały służące do produkcji płytek oraz elektrolityczne składniki rozpuszczalników niewodnych, zbadali ich właściwości fizyczne oraz zastosowali techniki analityczne i symulacyjne, w celu obrania możliwie najlepszego podejścia. Następnie naukowcy przeprowadzili mikro-modelowanie procesu, przed stworzeniem prototypu będącego dowodem słuszności ich pomysłów.

"Poruszaliśmy się na całkowicie niezbadanym obszarze. Przed rozpoczęciem projektu Copper nie opublikowano ani jednego artykułu dotyczącego stosowania niewodnych roztworów w przemyśle półprzewodnikowym", zauważa kierownik projektu.

Nie dziwi zatem, że projekt spotkał się z dużym zainteresowaniem ze strony producentów mikroukładów, w momencie, gdy jego uczestnicy zaczęli prezentować uzyskane wyniki podczas międzynarodowych konferencji.

"Zainteresowanie było z pewnością duże, jednak nie jesteśmy w stanie stwierdzić z całą pewnością, czy ktokolwiek wykorzystał nasze badania jako podstawę komercyjnego zastosowania tego procesu. Mimo to uważam, że teraz, gdy już pokazaliśmy, że możliwe jest stosowanie roztworów niewodnych, ich komercyjne wykorzystanie jest tylko kwestią czasu", mówi prof. Fransaer.

Chociaż amoniak, który w formie ciekłej występuje jedynie pod ciśnieniem, czy płyny jonowe są mniej dostępne i droższe niż woda, koszt ich stosowania nie stanowi problemu w przemyśle półprzewodnikowym, którego obroty sięgają wielu miliardów euro, zauważa prof. Fransaer.

"Zastąpienie roztworów wodnych niewodnymi miałoby, w kontekście globalnym, bardzo niewielki wpływ na koszty", mówi prof. Fransaer.

Co być może bardziej istotne, badania przeprowadzone przez uczestników projektu pozwoliły uświadomić ludziom, że istnieje wiele możliwości i dotyczą one nie tylko tantalu, ale także innych metali i nie tylko zastosowań półprzewodnikowych.

Przykładowo, członkowie konsorcjum projektowego planują kontynuować swe prace, w ramach projektu bazującego na wynikach projektu Copper, w celu ulepszenia sposobów rozpraszania ciepła w elektronice energetycznej, która będzie niezbędnym elementem inteligentnych sieci elektrycznych, które obecnie pojawiają się w Europie i poza nią.

"Wiele pierwiastków, wśród nich tak zwane materiały szlachetne, można galwanizować przy użyciu wody, jednak w przypadku niektórych z nich nie jest to możliwe. Dotyczy to np.: aluminium, krzemu, germanu itd. Wykazaliśmy, że roztwory niewodne umożliwiają galwanizowanie niektórych z tych materiałów. Otwiera to wrota do szeregu całkowicie nowych zastosowań, które wcześniej prawdopodobnie nie wydawały się nawet możliwe", twierdzi prof. Fransaer.

Projekt Copper uzyskał wsparcie finansowe ze strony Komisji Europejskiej w ramach (Siódmego Programu Ramowego UE - 7PR).

© Unia Europejska, 1994-2012

Źródło: CORDIS

Na podstawie informacji uzyskanej od prof. Jana Fransaera, Katedra Metalurgii i Inżynierii Materiałowej ('Department of Metallurgy and Materials Engineering' - MTM) Katolickiego Uniwersytetu w Leuven, Belgia.